金属切削与机床第4章

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1、第4章 提高金属切削效率的途径,4.1 工件材料的切削加工性 4.2 刀具几何参数的选择 4.3 切削用量的选择 4.4 合理选择切削液,4.1 工件材料的切削加工性,4.1.1 工件材料的切削加工性指标工件材料切削加工性是指对某一种材料切削加工的难易程度。 某种材料切削加工性的好坏是相对另一种材料而言的。在讨论钢材的切削加工性时，一般以45钢为基准，其它材料与其比较，用相对切削加工性指标Kr来表示:,(4-1),式中: v60某种材料其耐用度为60 min时的切削速度； vB60切削45钢（b=0.735 GPa），耐用度为60 min时的切削速度。 当Kr1时，表明该材料比45钢容易切削；

2、当Kr1时， 表明该材料比45钢难加工。,表4-1 相对切削加工性及其分级,4.1.2 改善切削加工性的途径1. 调整材料的化学成分除了金属材料中的含碳量外，材料中加入锰、铬、钼、硫、 磷、铅等元素时， 都会不同程度地影响材料的硬度、强度、 韧性等，进而影响材料的切削加工性。如在钢中加入硫、铅、 磷等易切元素， 可改善其切削加工性。,2. 进行适当的热处理将硬度较高的高碳钢、工具钢等进行退火处理，以降低硬度；将低碳钢通过正火处理，以降低材料的塑性，提高其硬度；将中碳钢通过调质处理，使材料硬度均匀。这些方法都可以改善材料的切削加工性。 3. 选择良好的材料状态低碳钢塑性大，加工性不好，但经过冷拔

3、之后，塑性降低，加工性好；锻件毛坯由于余量不均匀，且不可避免地会有硬皮， 若改用热轧钢， 则加工性可得到改善。,4.2 刀具几何参数的选择,4.2.1 前角和前刀面的选择1. 前角的功用前角的功用是在满足切削刃强度的前提下，使切削刃锋利。 增大前角能减少切屑变形和刀具磨损、改善加工质量、抑制积屑瘤等。但前角过大会削弱刀刃的强度及散热能力，易造成崩刃。因此，前角应有一合理的数值。表4-2为硬质合金车刀合理前角的参考值。,表4-2 硬质合金车刀合理前角参考值,2. 前角的选择前角的选择原则是，在达到刀具寿命的前提下，应选取较大的前角。具体应考虑以下因素: (1） 工件材料的性质。工件材料的强度、硬

4、度低，塑性大，前角应取较大值；材料强度、硬度高，前角应取较小值。 (2） 刀具材料。刀具材料强度、韧性高，前角可取较大值，反之则取较小值。如高速钢刀具应取较大的前角，而硬质合金刀则应取较小值。 (3） 加工形式。 粗加工时前角应取较小值，而精加工时前角应取较大值。,3. 前刀面的形式 图4-1为生产中常用的几种前刀面形式。,图 4-1 前刀面的形式 (a) 正前角平面型； (b) 正前角平面带倒棱型； (c) 正前角曲面带倒棱型 (d) 负前角单面型； (e) 负前角双面型,4.2.2 后角和后刀面的选择1. 后角的功用后角的主要功用是减小与切削表面的摩擦， 同时也影响着刃口的锋利和强度。 2

5、. 后角的选择后角的选择原则是，在不产生摩擦的条件下，应适当选取较小的后角。具体应考虑以下因素: (1） 切削厚度hD。切削厚度薄，后角应取较大值；反之， 后角应取较小值。 (2） 刀具形式。对于定尺寸刀具（如拉刀等），为延长刀具寿命，后角应取较小值。,表 4-3 硬质合金车刀合理后角参考值,3. 后刀面的形式(1） 双重后角能保证刃口强度，减少刃磨工作量，如图4-2(a)所示。 (2） 消振棱是指在后刀面磨出一条副后角的棱边，可增大阻尼，起消振作用,如图 4-2(b)所示。 (3） 刃带是指在后刀面上磨出后角为零的小棱边。对于定尺寸刀具（拉刀、 铰刀等），为了控制外径尺寸常需磨出刃带，同时可

6、避免重磨后尺寸精度的变化，但刃带也会增大摩擦作用， 如图4-2(a)中的b。,图 4- 2 后刀面的形式 (a) 刃带、双重后角； (b) 消振棱,4.2.3 主偏角、 副偏角及刀尖的选择1. 主偏角的功用和选择1） 主偏角的功用主偏角主要影响各切削分力的比值，也影响切削层截面形状和工件表面形状。当主偏角减小时，Ff减小，Fp增加，有可能使工件弯曲并在切削时产生振动。当主偏角减小，进给量f和背吃刀量ap不变时，切削宽度将增加，散热条件改善，刀具耐用度将提高。,2）主偏角的选择主偏角的选择原则是，在工艺系统刚度允许的前提下， 应选择较小的主偏角。表4 4为选择主偏角的参考值。,表4-4 主偏角的

7、参考值,2. 副偏角的功用和选择1） 副偏角的功用副偏角主要影响已加工表面的粗糙度，同时也影响切削分力的比值。副偏角减小，表面粗糙度值小，但会增大背向力Fp。 2） 副偏角的选择副偏角主要按加工性质选择，一般取1015，为保证切断刀刀尖强度，可取12。,3. 刀尖形式及选择图4-3为常见的几种刀尖形式。 (1） 图4-3(a)为直线型倒角刀尖，也称为过渡刃。一般r=（1/2）r，b(1/51/4)ap，这种刀尖多用于粗车或强力车刀上。 (2）图4-3(b)为圆弧刃刀尖。刀尖圆弧半径r增大，平均主偏角减小，表面粗糙度值减小，刀具耐用度会提高，但Fp增大，切削中会产生振动。,(3）图4-3(c)为

8、平行刃，也称为修光刃, 是在副切削刃近刀尖处磨出一小段r=0的平行刀刃。修光刃长度b=(1.21.5)f。修光刃能降低表面粗糙度的值，但b过大则易引起振动。 (4） 图4-3(d)为大圆弧刀尖。其平均主偏角和副偏角均较小，刀具强度和耐用度均较高，切削的工件表面粗糙度值较小。,图 4-3 倒角刀尖与刀尖圆弧半径 直线刃； (b) 圆弧刃(刀尖圆弧半径)； (c) 平行刃(水平修光刃)；(d) 大圆弧刃,4.2.4 斜角切削与刃倾角的选择1. 刃倾角的功用刃倾角的功用主要是控制切屑流向，使刀刃锋利的同时， 改变切削刃的工作状态。 图4-4为刃倾角对切屑流向的控制示意图。,图4-4 刃倾角对切屑流向

9、的影响,直角切削（s=0）时，切屑近似地沿切削刃的法线方向流出。而斜角切削（s0）时，切屑沿偏离切削刃的法线方向流出。当s0时，切屑流向已加工表面，会划伤已加工表面；当s0时，切屑流向改变，使实际起作用的前角增大，也增加了切削刃的锋利程度。 在断续切削的条件下，斜角切削可使切削刃逐渐平稳地切入或切出，但当s0时，刀尖会首先接触工件，容易崩刃； 当s0时，远离刀尖的切削刃先接触工件，既保护了刀尖， 又提高了承受冲击的能力，如图4-5所示。但负的刃倾角会使背向力Fp增大，导致工件变形及切削时产生振动。,图 4-5 刃倾角对切削刃接触工件的影响,2. 刃倾角的选择刃倾角的选择应根据生产条件具体分析，

10、一般情况下可按加工性质选取：精车s=05；粗车s=0-5； 断续车削s=-30-45；工艺系统刚性较差时不宜选负的刃倾角。 表4-5为刃倾角选用参考表。,表4-5 刃倾角s值选用表,4.3 切削用量的选择,4.3.1 合理切削用量及选择原则合理切削用量就是在充分利用刀具切削性能和机床性能并保证加工质量的前提下，获得较高生产率和较低的加工成本的切削速度vc、进给量f和背吃刀量ap。 粗加工时毛坯余量大，工件几何精度和表面粗糙度等技术要求低，因此应以发挥机床和刀具的切削性能，减少机动和辅助时间，提高生产率和刀具耐用度作为选择切削用量的主要依据。 ,4.3.2 切削用量的选择方法1. 背吃刀量ap的

11、选择选择尽量大的背吃刀量，一次走刀中最好把本工序应切除的加工余量切除掉。在粗加工时，如果加工余量过大或工艺系统刚性较差时，也可分二次进刀。 第一次进刀：,（4-2）,第二次进刀,式中，A为单边余量（mm）。,2. 进给量f的选择限制粗加工最大进给量的主要因素是刀杆和刀片强度、 进给机构强度及工艺系统的刚性。 表4-6是硬质合金及高速钢车刀粗车外圆和端面时的进给量。,表4-6 硬质合金及高速钢车刀粗车外圆和端面时的进给量,表 4-7 硬质合金刀片强度允许的进给量,表4-8 硬质合金外圆车刀半精车时的进给量,3. 切削速度vc的选择粗加工时限制切削速度的主要因素是刀具耐用度和机床功率。精加工时限制

12、切削速度的主要因素是刀具耐用度。因为精加工时切削力较小， 机床功率一般都能满足。 当确定了背吃刀量和进给量后，根据合理刀具耐用度T求切削速度vc时，可用下列公式:,(4-4),式中: vc切削速度(m/min)； T合理刀具耐用度（min）； m刀具耐用度指数（查表3-6）； Cv切削速度系数（查表4-9）；,xv、yv分别为背吃刀量ap、进给量f对vc的影响指数(查表4-9)； kv切削速度修正系数, kv=kmvksvktvkrv（查表410表4-13）。 切削速度vc求出后，可根据vc=dwn/1000计算工件转速n:,(4- 5),式中: n工件转速（r/mim）； vc切削速度（m/

13、min）； dw工件待加工表面直径（mm）。,表 4-9 切削速度公式中的系数及指数,表4-10 钢和铸铁的强度与硬度改变时切削速度的修正系数kmv,表4-11 毛坯表面状态改变时切削速度的修正系数ksv,表4-12 刀具材料改变时切削速度的修正系数ktv,4.3.3 切削用量选择举例例 4-1 在CA6140卧式车床精车外圆。已知工件为调质45钢，b=0.735 GPa，毛坯尺寸为68350（mm），精车直径余量为1.5 mm，如图4-6所示。要求加工后精度达到h11级，表面粗糙度为Ra3.2 m。试选择切削用量。,图 4-6 工件加工示意图,1. 选择刀具几何参数1） 确定粗加工刀具 选择

14、YT15硬质合金焊接车刀，刀具耐用度T=60 min，刀杆尺寸按表4-14 选择16 mm25 mm，刀片厚度6 mm，o=10, o1=-5, r=75, r=15, s=0,o=o=6, r=1.0mm。 ,表4-14 车刀刀杆及刀片尺寸的选择,2） 确定精加工刀具选择YT15硬质合金刀片，刀杆尺寸16 mm25 mm，刀具耐用度T=60 min，o=20，o1=-3, r=60, r=10,s=+3, o=o=6。,2. 确定粗车切削用量1） 背吃刀量ap单边余量A=（68-61.5）/2=3.25 mm。所以ap=3.25 mm。 2） 进给量f由表4-6查得f=0.40.6 mm/r

15、，根据机床说明书f=0.51 mm/r。,3） 切削速度vc由表4-9查得cv=242，xv=0.15，yv=0.35，m=0.20。 由表4-10、表4-11、表4-12、表4-14 查得,由式（4-4）得,由式（4-5）得,查机床说明书得n=320 r/min，求得实际切削速度,4) 校验机床功率 由切削力计算公式及有关表格，求得主切削力Fc:,计算切削功率:,验算机床功率，CA6140车床额定功率PEe=7.5 kW(取机床效率m=0.8),由此可知， 机床功率足够。,3. 确定精车时的切削用量 1） 背吃刀量,2）进给量按表4-8预先估计vc80 m/min，查得f=0.30.35 m

16、m/r， 再按说明书选f=0.3 mm/r。,3） 切削速度vc查表4-9得cv=291,xv=0.15，yv=0.2，m=0.2；kv=0.67（同粗加工）。由式（4-4）得,查机床说明书得n=560 r/min，则,符合预先估计的vc80 m/min的设定。,4.4 合理选择切削液,4.4.1 切削液的作用1. 冷却作用切削液的冷却作用是通过切削液带走大量的切削热而降低切削区的温度。其冷却效果取决于冷却液本身的导热率、比热、 汽化热以及浇注方法等。,2. 润滑作用切削液的润滑作用是通过切削液渗透到切屑、工件、刀具接触面之间形成润滑膜。其润滑性能的好坏，主要取决于切削液的渗透性和表面间形成的润滑膜的强度。图4 -7为切削加工时表面间的边界润滑摩擦，高温高压下的边界润滑也称为极压润滑。,